화학

전기화학 전지

갈바니와 전해, 네른스트, 패러데이, 부식 스케치.

기초

갈바니와 전해

갈바니(볼타) 전지는 자발 산화환원으로 일을 합니다. 전자는 외부 회로에서 산화극(애노드)에서 환원극(캐소드)로 흐릅니다. 전해조는 외부 전원이 비자발 반응을 밀어 올립니다. 둘 다 산화는 애노드, 환원은 캐소드이지만, 전해에서는 부호가 붙인 단자가 갈바니와 반대로 느껴질 수 있습니다. 염다리·격막이 이온으로 전하 균형을 맞춥니다. 전지 표기에서는 왼쪽이 산화, 오른쪽이 환원인 관례가 많습니다.

네른스트와 농도

표준전위 E° 는 1몰·1기압·지정 온도에서의 기준입니다. 실제 전위는 E = E° − (RT/nF) ln Q 로 반응몫 Q 에 따라 변합니다. 25°C 에서 대략 E = E° − (0.059/n) log Q 로 씁니다. 농도가 같아지면 Q=1 이고 E→E° 입니다. 농축전지는 같은 반쪽이라도 농도 차로 전압이 납니다. pH 가 관여하는 반은 수소이온을 Q 에 넣습니다.

패러데이 법칙

흘린 전하 Q = I t 가 환원(또는 산화)된 물질의 몰수와 비례합니다. m = (M / n F) I t 에서 F 는 패러데이 상수(약 96485 C/mol), n 은 전자 수입니다. 전기도금·전해제련의 질량 계산이 이 식입니다. 전류 효율이 100%가 아니면 실제 질량이 이론보다 작습니다. 단위를 쿠롱과 초로 맞추세요.

부식 스케치

철이 녹스는 것은 국부 전지입니다. 애노드에서 Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, 캐소드에서 산소·물이 전자를 받아 수산화물을 만듭니다. 바닷물·산·염이 전해질 역할을 키웁니다. 희생양극(아연)은 자신만 녹아 철을 지킵니다. 도장·도금·부동태 막이 산소와 물을 막습니다. 스테인리스는 크롬 산화물 막에 기대지만, 염화물에서는 구멍부식이 납니다.

공식

네른스트

E = E° − (RT/nF) ln Q ≈ E° − (0.059/n) log Q (25°C)

Q 가 커지면(생성 쪽) E 가 작아집니다.

기호

n 전자 몰수
Q 반응몫
F 패러데이 상수

전지와 자유에너지

ΔG = −n F E

E>0 이면 자발(갈바니). 전해는 외부 일로 ΔG>0 을 감수.

기호

E 전지 전위

전착 질량

m = (M I t) / (n F)

이상 효율 100%. M 은 몰질량.

기호

I 전류
t 시간

표준 전지 전위

E°_cell = E°_cathode − E°_anode

환원전위표 기준. 산화극은 그 반쪽의 환원전위를 뺌.

핵심 표

F	약 9.6485×10⁴ C/mol e⁻
SHE	표준수소전극 E°=0. 다른 반쪽의 기준
희생양극	배·파이프의 아연·마그네슘. 자신만 먼저 산화